Computerberegninger viser de bedste steder at lede efter nanotrådskatalysatorer for at fremskynde grønne reaktioner

A*STAR-forskere har lavet en 'prospector's guide' for at hjælpe forskere med at finde de bedste germanium-silicium nanotråde til at katalysere vigtige ren-energi-reaktioner.

Brug af sollys til at opdele vand i dets bestanddele, eller at omdanne kuldioxid til kulilte eller kulbrinter, er blandt de mest levedygtige metoder til at reducere udledningen af ​​drivhusgasser. For at realisere deres potentiale, begge ren-energi-reaktioner kræver katalysatorer.

Silicium er fordelagtigt, fordi dets egenskaber er godt undersøgt, og det er et rigeligt materiale, men 'båndgabet' mellem dets lednings- og valensbånd er for snævert til effektivt at katalysere disse reaktioner. Denne mangel kan overvindes på to måder:ved at "nanosize" silicium eller ved at eksperimentere med forskellige legeringer af silicium.

Nu, Teck Leong Tan og Man-Fai Ng ved A*STAR Institute of High Performance Computing har brugt computersimuleringer til at udforske effekten af ​​at variere diameteren af ​​germanium-silicium nanotråde og også forholdet mellem silicium og germanium på legeringens katalytiske egenskaber .

Forklarer formålet med undersøgelsen, Tan siger, "Vi troede, at ved at variere både nanotrådsdiameteren og legeringssammensætningen, vi kunne generere et større designrum til at konstruere et materiale med det optimale båndgab og båndstrukturer for at fotokatalysere rene energireaktioner såsom solvandsspaltning og kuldioxidreduktion."

Parret kombinerede tre etablerede beregningsmetoder til at udføre deres beregninger:tæthedsfunktionel teori, klyngeudvidelse og Monte Carlo-simuleringer. Selvom denne kombination af teknikker er blevet brugt før, forskerne opdagede en simpel sammenhæng, der gjorde det muligt for dem at forudsige båndgab nøjagtigt ved hjælp af enklere beregningsmetoder. Dette reducerede beregningsomkostningerne betydeligt, gør det muligt at screene flere legerede nanostrukturer end normalt.

Resultaterne indikerer, at germanium-silicium nanotråde med diametre på tre nanometer eller mindre er egnede fotokatalysatorer til både vandspaltning og kuldioxidreduktion. Deres beregninger forudsiger også, at nanotråde med asymmetriske kerne-skal strukturer (se billede) vil være mere effektive end dem med konventionelle symmetriske. Endelig, nanotråde med diametre mellem 2 og 3 nanometer bør have båndspalter, der passer godt til spektret af sollys, hvilket gør dem til effektive lyshøstere.

Ifølge Tan, dette demonstrerer, at "kombinationen af ​​de tre teknikker giver en kraftfuld metodologi til high-throughput screening af legerede nanostrukturer for ønskværdige egenskaber. Den kan tilpasses til andre applikationer for at fremskynde opdagelsen af ​​nye materialer."

De to forskere er ivrige efter at samarbejde med eksperimentalister for at bekræfte forudsigelserne genereret af deres beregninger. De har også til hensigt at anvende teknikken på andre lovende halvleder-nanowire-legeringer.